PNAS | 蒋超/何向伟团队合作揭示微同源臂在跨物种基因组串联重复产生中的关键作用及其与疾病的关系

基因组通常被认为是高度稳定的，但串联重复序列（ tandem repeats ,TRs）却是个例外。在人类基因组中，重复元件占总序列内容的50%以上，其中串联重复约占6%【1, 2】。它们不仅调控基因表达、染色质组织，更是基因组不稳定性的重要来源【3, 4】。

长期以来，科学界对TR的起源机制存在争议【4】。著名学者Haber和Louis曾提出假说，认为TR s 可能起源于两侧带有极短微同源臂序列（ microhomology arms ,MHAs）的单拷贝DNA片段的初步串联复制（ Tandem Duplication，TD）【5】。2021年，何向伟团队在裂殖酵母中首次捕捉到了这一高频发生且可逆的突变过程，将其 正式 命名为 微同源介导的串联重复 （Microhomology-mediated Tandem Duplication,MTD）【6】。

然而，MTD仅仅是酵母中的“特例”，还是生命演化中普遍存在的“通则”？为了回答这一根本问题， 仍需 跨物种、多尺度全基因组测序分析。

近日， 浙江大学生命科学研究院蒋超研究员与何向伟教授团队合作在PNAS在线发表了题为Microhomology-mediated tandem duplication is a conserved mechanism of genomic variation with implications for human disease的研究论文。 该研究首次系统性地证明，MTD是一种在细菌、古菌、真菌乃至病毒中普遍存在的基因组变异机制，并揭示了其与人类疾病（包括癌症、代谢性疾病及神经系统疾病）的密切关联。

一、MTD是全域保守的基因组变异

为了实现对串联重复的精准捕获，研究团队自主开发了统一的分析框架 MTDTools （包含 MTDJunction 和 MTDInsertion 模块）。

研究人员首先对包括细菌、古菌和真菌在内的17种微生物种群进行了超高深度（>1000X）全基因组测序 ，发现 所有物种中均广泛检测到了新发（ de novo ）的MTD事件 。统计表明，带有≥3个碱基微型同源臂的TD占总TD事件的70.41%，远远超出了随机发生的理论预期（1.6%）。

不仅如此，这种保守性还延伸到了自然群体和宏观进化尺度。团队收集并分析了来自103个微生物物种的 数百 万个自然分离株基因组，以及涵盖多界的2245个物种的参考基因组。结果显示，在考虑了同源序列随时间推移的退化效应后，MTD依然占据了物种进化历史上所有TD变异的约80%。这有力地证明，实验室中观察到的单细胞MTD突变，正是自然界中驱动串联重复演化的主要物质基础。

二、进化约束下的“中性漫步”与纯化选择

这些高频产生的MTD是如何在进化中存活下来的？群体遗传学分析给出了答案。

通过分析酿酒酵母和酿脓链球菌的大规模自然群体，研究发现TD所在区域并未表现出强烈的近期正向选择（如选择扫荡）迹象，这表明大多数MTD在基因组中遵循 中性或近乎中性 的演化动力学。

然而，基因组并非对其完全放任。通过对87个物种的编码序列（CDS）进行扫描，研究人员发现 纯化选择强烈限制了编码区内MTD的留存 。有趣的是，在真菌和细菌中，少数存活于编码区的TD往往带有更长的微型同源臂，并且非随机地富集于特定的生物学通路（例如细菌的胆汁酸合成、分泌系统；真菌的DNA修复等）。这暗示了轻微的拷贝数变化可以作为一种动态的遗传策略，帮助细胞在不引入永久性点突变的情况下应对环境挑战。

三、冈崎片段加工缺陷驱动MTD爆发

在探明了广泛性之后，研究团队将目光投向了MTD的底层分子机制。什么过程会诱发如此密集的微型同源序列退火？

研究人员锁定了一个关键的基因组稳定性护卫者—— Rad27（人类中称为FEN1） 。Rad27是一种保守的皮瓣内切酶，负责在DNA复制期间切除冈崎片段前方的5' RNA-DNA皮瓣（Flap）。当对缺失了 rad27 基因的酿酒酵母突变体进行超深测序（约10000X）时，研究人员观察到 新发的MTD频率呈现出7到10倍暴增 。

基于此，研究团队提出了一个机制模型：当Rad27功能受损或过载时，未能被及时切除的单链5'皮瓣会在复制叉附近游荡。这些单链DNA极易通过序列内部的短微型同源臂（MHAs）发生退火和错误配对，进而在DNA连接时将额外的单拷贝片段嵌入基因组，完成一次典型的MTD生成过程。

四、MTD驱动人类癌症与重大遗传病

这项从单细胞酵母起步的研究，最终在人类健康领域激起了巨大回响。

研究团队将多尺度分析框架应用于约3000个人类基因组以及COSMIC和 ClinVar 等疾病突变数据库。数据揭示了一个令人震撼的事实：不仅人类参考基因组中超过50%的TD和近80%的TR带有微型同源臂，在已知致病相关的TD变异中， 高达60%至70%的事件均表现出明确的MTD特征 。

通路富集分析进一步显示，这些致病性MTD变异高度集中在 基因组稳定性维持（如范可尼贫血通路）、癌症发生、细胞骨架及溶酶体代谢 等关键系统。例如：导致家族性乳腺癌和卵巢癌的 BRCA1 基因截短突变（10 bp重复，带有7 bp同源臂） ； 引起法布里病（Fabry disease）的 GLA 基因突变（14 bp重复，带有7 bp同源臂）。

图1. MTD模型、生命域中保守和发生机制示意图。上：MTD模型图，表示在DNA序列上发生了一个单元的串联复制插入突变。紫色表示微同源臂，与一个重复核心区域（灰色）组成一个重复单元；中：MTD 在不同生命形式中的演化层面的普遍发生现象；下：MTD形成机制，在DNA复制过程中冈崎片段加工缺陷促成 MTD 的发生。

综上， 这项系统性工作为生命科学界提供了一个统一的理论与机制框架。它证明了MTD并非偶发的变异噪音，而是一种跨越生命域、由DNA复制/修复机制内在地驱动的普遍变异法则 。

MTD突变所具有的高频发生与可逆性，使其成为物种进化和环境适应的“缓冲器”与“催化剂”。而在人类中，这一古老的机制宛如一把双刃剑，在塑造基因组多样性的同时，也成为了触发多种毁灭性疾病的“隐秘开关”。这一发现不仅丰富了我们对基因组演化的认知，更为未来针对特定类型基因组不稳定性（如癌症和罕见代谢疾病）的诊断和干预提供了全新的靶点与思路。

浙江大学生命科学研究院韦宪方博士为论文第一作者，蒋超研究员与何向伟教授为共同通讯作者。何向伟实验室博士生龚婉馨及张静博士；蒋超实验室博士生郑一帆和彭晨也参与了该项研究。

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2606747123

制版人： 十一

参考文献

1. Treangen TJ & Salzberg SL (2011) Repetitive DNA and next-generation sequencing: computational challenges and solutions.Nat Rev Genet13(1):36-46.

2. Cui Y , et al. (2024) A genome-wide spectrum of tandem repeat expansions in 338,963 humans.Cell187(22):6411-6412.

3. Gemayel R, Vinces MD, Legendre M, & Verstrepen KJ (2010) Variable tandem repeats accelerate evolution of coding and regulatory sequences.Annu Rev Genet44:445-477.

4. Ellegren H (2004) Microsatellites: simple sequences with complex evolution.Nature Reviews Genetics5(6):435-445.

5. Haber JE & Louis EJ (1998) Minisatellite origins in yeast and humans.Genomics48(1):132-135.

6. Dan L , et al. (2021) A rapidly reversible mutation generates subclonal genetic diversity and unstable drug resistance.Proc Natl Acad Sci U S A118(43):e2019060118.

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